ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2023
Просмотров: 362
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
МОДУЛЬ 1. Предметная область метрологии
МОДУЛЬ 2. ШКАЛЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В МЕТРОЛОГИИ
МОДУЛЬ 3. Физические величины, системы единиц физических величин
МОДУЛЬ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ. ПОНЯТИЕ О КАЧЕСТВЕ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 6. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ И ИСКЛЮЧЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
МОДУЛЬ 7. АНАЛИЗ ТОЧЕЧНЫХ ДИАГРАММ
МОДУЛЬ 8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 13. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 14. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕДАЧА ЕДИНИЦ ОТ ЭТАЛОНОВ
метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором известную величину, воспроизводимую мерой, после настройки прибора замещают измеряемой величиной, то есть эти величины воздействуют на прибор последовательно. Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.
Кроме этих терминов в РМГ 29 –99 приведен термин метод измерений дополнением(метод дополнения)– метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Метод дополнения может быть реализован как при замещении, так и при противопоставлении измеряемой величины и меры.
Для анализа МВИ использование классификации методов измерений по реализации измерительного преобразования имеет существенное практическое значение, поскольку они прямо связаны с поиском источников погрешностей и оценкой их характера. Так метод непосредственной оценки может характеризоваться прогрессирующей составляющей погрешности, которая увеличивается с увеличением измеряемой величины. У всех разновидностей методов сравнения с мерой обязательно присутствуют не только погрешности приборов, но и погрешности мер, причем механизмы их проявления несколько различаются в соответствии с разновидностью метода.
Рекомендация начинающим. Желательно еще раз вернуться к классификации измерений после изучения других модулей, которые посвящаются подробному анализу погрешностей, их составляющих, методов их выявления и оценки.
Классификация методов измерений по наличию контакта сопровождается не вполне корректными определениями.
Контактный метод измерений (контактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примеры: измерение диаметра вала индикаторной скобой, измерение температуры тела термометром.
Бесконтактный метод измерений (бесконтактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Примерами могут быть измерение температуры в доменной печи пирометром и измерение расстояния до объекта радиолокатором.
Если под контактом подразумевать только механический контакт чувствительного элемента средства измерений с объектом, то деление методов на контактные и бесконтактные имеет определенный смысл. Это существенно для анализа погрешностей, которые возникают из-за взаимодействия прибора с объектом измерений. При механическом контакте необходимо учитывать взаимодействия объекта и средства измерений (деформации из-за их недостаточной жесткости, контактные деформации, колебание переходных сопротивлений и др.). При отсутствии механического контакта следует учитывать особенности «бесконтактного съема» измерительной информации – оптические искажения в воздухе, ослабление сигнала на расстоянии и т.д.
Для оценки метода измеренийпредлагается ответить на следующие вопросы:
Отрицательный ответ на первый вопрос означает, что мы имеем дело с методом непосредственной оценки. Положительный ответ на этот вопрос позволяет утверждать, что применяется метод сравнения с мерой, который подлежит дальнейшей уточняющей классификации. Если значение разности измеряемой величины и меры доводится до нуля, реализуется нулевой метод измерений (иногда называемый методом полного уравновешивания), а если разность этих значений алгебраически суммируется со значением меры – дифференциальный метод.
Если в ходе измерения мера и измеряемый объект последовательно воздействуют на вход средства измерений (СИ), заменяя друг друга, реализуется метод замещения. Например, измерительная головка на стойке настраивается по плоскопараллельной концевой мере длины, после чего мера убирается и замещается контролируемой деталью.
Некоторые приборы (весы, измерительные мосты и др.) обеспечивают возможность одновременного воздействия на них меры и измеряемой физической величины. С помощью таких приборов реализуется метод противопоставления.
Примеры кратких характеристик методик выполнения измерений:
Представление о качестве измерений
Оценка уровня качества измерений (как любого технического объекта) является необходимым элементом процесса принятия управляющих решений. Такая оценка особенно нужна при сопоставлении конкурирующих МВИ.
Принципиальная особенность измерений как объекта оценки качества заключается в том, что мы имеем дело с технологическим процессом получения результата исключительно информационного характера. К подобным процессам можно отнести книгопечатание, фотографическую и видеосъемку, театральные и другие представления. Поэтому в оценивании качества технических процессов, направленных на выдачу информационных результатов наблюдается некоторый дуализм, заключающийся в наличии не только информационной, но и технической стороны. Книга с отличным содержанием может быть напечатана слепым шрифтом на плохой бумаге, хорошая музыка нереализуема в помещениях с плохой акустикой и т.д. Дополнительной особенностью измерений как процесса получения и применения информации является различие масштабов их рассмотрения: можно оценивать измерения одной физической величины конкретным оператором или организацию и проведение измерений в рамках субъекта хозяйствования, отдельной страны, или в международных рамках.
Различия в измерениях некоторой физической величины могут заключаться в применяемых средствах, условиях, операторах, числе наблюдений и методиках их обработки. Сложность объекта не избавляет от необходимости оценивать уровень его качества, хотя может привести к появлению ряда более узких задач. В частности, поскольку комплексная оценка качества измерений представляется весьма сложной, можно применять дифференциальные методы оценки с привлечением значительного количества показателей.
Под качеством измерения подразумевается наиболее общее его свойство, которое обеспечивает требования исполнителя и потребителя к результату и процессу его получения. Более простые свойства, из которых складывается качество измерений, можно представить как точность и достоверность результата, а также экономичность и безопасность его получения.
Очевидно, что точностьизмерений является необходимым условием использования их результатов. Обеспечение точности измерений заключается в установлении требуемого соотношения предельного значения реализуемой в ходе измерений погрешности Δ и допустимой погрешности измерений [Δ]
Δ ≤ [Δ].
Достоверность результата измерений, которая определяет уровень доверия к нему, имеет множество аспектов, в том числе связанных с вероятностным характером измерительной информации, со степенью адекватности отражения результатом исследуемой физической величины и др.
Экономичность измерений – многоаспектное свойство, которое учитывает производительность и себестоимость измерений, стоимость средств измерений, стоимость их эксплуатации, включая организацию и поддержание условий в зоне измерения, оплату работы оператора и др.
Безопасность измерений считают удовлетворительной, если риски нежелательных последствий имеют приемлемый уровень. Опасности процесса измерений могут быть связаны с измеряемым объектом, а также с применяемыми средствами измерений. Опасными объектами измерений являются те, которые характеризуются высокими давлениями, механическими и электрическими напряжениями, силой тока, радиоактивностью и другими энергонасыщенными свойствами, вне зависимости от того, являются ли эти свойства измеряемыми величинами. Источниками опасности в применяемых средствах измерений могут быть энергетически насыщенные явления, используемые для измерительных преобразований (например, высокие напряжения электронных мониторов, рентгеновское излучение, когерентные пучки оптических частот и другие).
В литературе широко употребляют такие свойства измерений, как точность, правильность, прецизионность, неопределенность, сходимость и воспроизводимость измерений. Кроме того, при рассмотрении измерений в рамках международных или страны (отрасли, концерна…) достаточно внимания уделяют таким свойствам, как единство измерений и единообразие средств измерений.
В РМГ 29 –99 содержится ряд терминов и определений, характеризующих свойства измерений.
Точность результата измерений (точность измерений) – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
По ГОСТ 16263-70 точность измерений – качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов (систематических и случайных).
Стандарт (ГОСТ 16263) предлагал также количественную оценку точности в виде обратной величины модуля относительной погрешности, Например, при значении относительной погрешности 0,1 % точность измерений Тч будет равна
Тч = (0,1/100) – 1 = 1000.
Из-за неявного отражения сути эта оценка не прижилась за более чем тридцатилетний срок действия стандарта.
Неопределенность измерений – параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине.
В примечаниях отмечено, что определение взято из Международного словаря основных и общих терминов в метрологии ИСО, 1993 (VIM – 93), но оно неудачно по сути, поскольку традиционно параметром называют некую количественную характеристику свойства, а неопределенность может иметь качественную и количественную стороны. В VIM—93 сказано, что «в качестве параметра» может быть использовано стандартное отклонение (или число, кратное ему) или половина интервала, имеющего указанный доверительный уровень.
Там же говорится, что неопределенность включает множество составляющих. Некоторые из составляющих можно представить эмпирическими стандартными отклонениями, рассчитанными по результатам статистической оценки распределения данных в серии измерений. Другие составляющие могут оцениваться отклонениями, взятыми из информационных источников или рассчитываемыми на основании другой информации.
Из сказанного ясно, что неопределенность измерений может рассматриваться как свойство, характеризующее случайные составляющие измерений, и является составляющей частью более общего свойства – точности измерений.
Сходимость результатов измерений (сходимость измерений) – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Примечание — Сходимость измерений двух групп многократных измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью.
Высокий уровень сходимости результатов в одной серии, полученной с использованием одной методики выполнения измерений, соответствует малым значениям случайных погрешностей при многократных измерениях. В качестве упрощенной оценки сходимости можно использовать размах результатов измерений в серии.
R = Xmax – Xmin.
Оценкой сходимости двух групп (серий) многократных измерений может быть близость размахов или отклонений (средних квадратических, средних арифметических).
Кроме этих терминов в РМГ 29 –99 приведен термин метод измерений дополнением(метод дополнения)– метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Метод дополнения может быть реализован как при замещении, так и при противопоставлении измеряемой величины и меры.
Для анализа МВИ использование классификации методов измерений по реализации измерительного преобразования имеет существенное практическое значение, поскольку они прямо связаны с поиском источников погрешностей и оценкой их характера. Так метод непосредственной оценки может характеризоваться прогрессирующей составляющей погрешности, которая увеличивается с увеличением измеряемой величины. У всех разновидностей методов сравнения с мерой обязательно присутствуют не только погрешности приборов, но и погрешности мер, причем механизмы их проявления несколько различаются в соответствии с разновидностью метода.
Рекомендация начинающим. Желательно еще раз вернуться к классификации измерений после изучения других модулей, которые посвящаются подробному анализу погрешностей, их составляющих, методов их выявления и оценки.
Классификация методов измерений по наличию контакта сопровождается не вполне корректными определениями.
Контактный метод измерений (контактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примеры: измерение диаметра вала индикаторной скобой, измерение температуры тела термометром.
Бесконтактный метод измерений (бесконтактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Примерами могут быть измерение температуры в доменной печи пирометром и измерение расстояния до объекта радиолокатором.
Если под контактом подразумевать только механический контакт чувствительного элемента средства измерений с объектом, то деление методов на контактные и бесконтактные имеет определенный смысл. Это существенно для анализа погрешностей, которые возникают из-за взаимодействия прибора с объектом измерений. При механическом контакте необходимо учитывать взаимодействия объекта и средства измерений (деформации из-за их недостаточной жесткости, контактные деформации, колебание переходных сопротивлений и др.). При отсутствии механического контакта следует учитывать особенности «бесконтактного съема» измерительной информации – оптические искажения в воздухе, ослабление сигнала на расстоянии и т.д.
Для оценки метода измеренийпредлагается ответить на следующие вопросы:
-
применяется ли для воспроизведения физической величины мера в явном виде? -
измеряются ли значения отклонений физической величины от известного значения меры?
Отрицательный ответ на первый вопрос означает, что мы имеем дело с методом непосредственной оценки. Положительный ответ на этот вопрос позволяет утверждать, что применяется метод сравнения с мерой, который подлежит дальнейшей уточняющей классификации. Если значение разности измеряемой величины и меры доводится до нуля, реализуется нулевой метод измерений (иногда называемый методом полного уравновешивания), а если разность этих значений алгебраически суммируется со значением меры – дифференциальный метод.
Если в ходе измерения мера и измеряемый объект последовательно воздействуют на вход средства измерений (СИ), заменяя друг друга, реализуется метод замещения. Например, измерительная головка на стойке настраивается по плоскопараллельной концевой мере длины, после чего мера убирается и замещается контролируемой деталью.
Некоторые приборы (весы, измерительные мосты и др.) обеспечивают возможность одновременного воздействия на них меры и измеряемой физической величины. С помощью таких приборов реализуется метод противопоставления.
Примеры кратких характеристик методик выполнения измерений:
-
- измерение диаметра цилиндрической поверхности детали штангенциркулем в одном сечении – прямое абсолютное однократное (или многократное) статическое измерение, выполняемое методом непосредственной оценки; -
- нахождение значения угла прямоугольного треугольника по результатам измерений его сторон – косвенное измерение плоского угла, при котором осуществляются прямые измерения длин. Методы прямых измерений зависят от конкретной выбранной реализации; -
- определение плотности материала по результатам измерений размеров (длин) образца и его массы – косвенное измерение искомой величины, требующее совместных измерений разноименных величин (длины и массы) и совокупных измерений нескольких одноименных физических величин (длин). Вычисляемый объем в этом случае также можно рассматривать как результат косвенного измерения.
Представление о качестве измерений
Оценка уровня качества измерений (как любого технического объекта) является необходимым элементом процесса принятия управляющих решений. Такая оценка особенно нужна при сопоставлении конкурирующих МВИ.
Принципиальная особенность измерений как объекта оценки качества заключается в том, что мы имеем дело с технологическим процессом получения результата исключительно информационного характера. К подобным процессам можно отнести книгопечатание, фотографическую и видеосъемку, театральные и другие представления. Поэтому в оценивании качества технических процессов, направленных на выдачу информационных результатов наблюдается некоторый дуализм, заключающийся в наличии не только информационной, но и технической стороны. Книга с отличным содержанием может быть напечатана слепым шрифтом на плохой бумаге, хорошая музыка нереализуема в помещениях с плохой акустикой и т.д. Дополнительной особенностью измерений как процесса получения и применения информации является различие масштабов их рассмотрения: можно оценивать измерения одной физической величины конкретным оператором или организацию и проведение измерений в рамках субъекта хозяйствования, отдельной страны, или в международных рамках.
Различия в измерениях некоторой физической величины могут заключаться в применяемых средствах, условиях, операторах, числе наблюдений и методиках их обработки. Сложность объекта не избавляет от необходимости оценивать уровень его качества, хотя может привести к появлению ряда более узких задач. В частности, поскольку комплексная оценка качества измерений представляется весьма сложной, можно применять дифференциальные методы оценки с привлечением значительного количества показателей.
Под качеством измерения подразумевается наиболее общее его свойство, которое обеспечивает требования исполнителя и потребителя к результату и процессу его получения. Более простые свойства, из которых складывается качество измерений, можно представить как точность и достоверность результата, а также экономичность и безопасность его получения.
Очевидно, что точностьизмерений является необходимым условием использования их результатов. Обеспечение точности измерений заключается в установлении требуемого соотношения предельного значения реализуемой в ходе измерений погрешности Δ и допустимой погрешности измерений [Δ]
Δ ≤ [Δ].
Достоверность результата измерений, которая определяет уровень доверия к нему, имеет множество аспектов, в том числе связанных с вероятностным характером измерительной информации, со степенью адекватности отражения результатом исследуемой физической величины и др.
Экономичность измерений – многоаспектное свойство, которое учитывает производительность и себестоимость измерений, стоимость средств измерений, стоимость их эксплуатации, включая организацию и поддержание условий в зоне измерения, оплату работы оператора и др.
Безопасность измерений считают удовлетворительной, если риски нежелательных последствий имеют приемлемый уровень. Опасности процесса измерений могут быть связаны с измеряемым объектом, а также с применяемыми средствами измерений. Опасными объектами измерений являются те, которые характеризуются высокими давлениями, механическими и электрическими напряжениями, силой тока, радиоактивностью и другими энергонасыщенными свойствами, вне зависимости от того, являются ли эти свойства измеряемыми величинами. Источниками опасности в применяемых средствах измерений могут быть энергетически насыщенные явления, используемые для измерительных преобразований (например, высокие напряжения электронных мониторов, рентгеновское излучение, когерентные пучки оптических частот и другие).
В литературе широко употребляют такие свойства измерений, как точность, правильность, прецизионность, неопределенность, сходимость и воспроизводимость измерений. Кроме того, при рассмотрении измерений в рамках международных или страны (отрасли, концерна…) достаточно внимания уделяют таким свойствам, как единство измерений и единообразие средств измерений.
В РМГ 29 –99 содержится ряд терминов и определений, характеризующих свойства измерений.
Точность результата измерений (точность измерений) – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
По ГОСТ 16263-70 точность измерений – качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов (систематических и случайных).
Стандарт (ГОСТ 16263) предлагал также количественную оценку точности в виде обратной величины модуля относительной погрешности, Например, при значении относительной погрешности 0,1 % точность измерений Тч будет равна
Тч = (0,1/100) – 1 = 1000.
Из-за неявного отражения сути эта оценка не прижилась за более чем тридцатилетний срок действия стандарта.
Неопределенность измерений – параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине.
В примечаниях отмечено, что определение взято из Международного словаря основных и общих терминов в метрологии ИСО, 1993 (VIM – 93), но оно неудачно по сути, поскольку традиционно параметром называют некую количественную характеристику свойства, а неопределенность может иметь качественную и количественную стороны. В VIM—93 сказано, что «в качестве параметра» может быть использовано стандартное отклонение (или число, кратное ему) или половина интервала, имеющего указанный доверительный уровень.
Там же говорится, что неопределенность включает множество составляющих. Некоторые из составляющих можно представить эмпирическими стандартными отклонениями, рассчитанными по результатам статистической оценки распределения данных в серии измерений. Другие составляющие могут оцениваться отклонениями, взятыми из информационных источников или рассчитываемыми на основании другой информации.
Из сказанного ясно, что неопределенность измерений может рассматриваться как свойство, характеризующее случайные составляющие измерений, и является составляющей частью более общего свойства – точности измерений.
Сходимость результатов измерений (сходимость измерений) – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Примечание — Сходимость измерений двух групп многократных измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью.
Высокий уровень сходимости результатов в одной серии, полученной с использованием одной методики выполнения измерений, соответствует малым значениям случайных погрешностей при многократных измерениях. В качестве упрощенной оценки сходимости можно использовать размах результатов измерений в серии.
R = Xmax – Xmin.
Оценкой сходимости двух групп (серий) многократных измерений может быть близость размахов или отклонений (средних квадратических, средних арифметических).